グリーン水素をより効率的かつ安価に生成するにはどうすればよいでしょうか?小さなルテニウム粒子と太陽熱水電解システムがその答えを提供する可能性があります。これは、ジェノヴァのイタリア工科大学 (IIT) と BeDimensional S.p.A. (IIT のスピンオフ会社) で構成される共同チームによって特定されたソリューションです。
この技術は、共同研究室の活動の中で開発され、最近 2 つのハイインパクトファクタージャーナル (Nature Communications および Journal of the American Chemical Society) に掲載されたもので、工業規模でグリーン水素生産のコストを削減できる新しい電極触媒ファミリーに基づいています。
水素は持続可能なエネルギー媒体であり、化石燃料の代替品と考えられています。しかし、環境への影響という点では、すべての水素が同じように生成されるわけではありません。実際、現在の主な水素製造方法は、副産物として二酸化炭素 (CO2) を放出する化石燃料ベースのプロセスであるメタン水蒸気改質です。
このプロセスで生成される水素は、「灰色」（二酸化炭素が大気中に放出される）と「青色」（二酸化炭素が捕捉され、地中に貯蔵される）に分類されます。 2050 年までに排出量を大幅に削減するには、これらのプロセスをより環境的に持続可能なプロセスに置き換えて、「グリーン」（つまり、実質ゼロ排出量）の水素を供給する必要があります。 「グリーン」水素のコストは主に、水分子を水素と酸素に分離する装置 (電解槽) のエネルギー効率によって決まります。
この発見に貢献した共同チームの研究者らは、電気エネルギー（水分子の分裂時に利用されるエネルギーバイアス）を、得られる水素分子に蓄えられる化学エネルギーに変換する際に、現在知られている方法よりも高い効率が期待できる新しい方法を開発した。研究チームは触媒の概念を開発し、太陽電池パネルで生成された電気などの再生可能エネルギーを利用した。
「私たちの研究は、標準的な電解槽に必要な初期投資よりわずかに高い初期投資にもかかわらず、成熟した技術の効率を最大化することが可能であることを示しています。これは、貴金属であるルテニウムを使用しているためです」と、ジェノヴァ国際工科大学ナノ化学グループのZuo Yong氏とMichele Ferri氏はコメントしています。
研究者らは、プラチナと同様の化学的特性を持ちながらはるかに安価な貴金属であるルテニウムのナノ粒子を使用した。ルテニウム ナノ粒子は電解槽の陰極で活性相として機能するため、電解槽全体の効率が向上します。
「私たちは、工業的に重要な条件下で電気化学分析と試験を実行することによって、材料の触媒活性を評価しました。さらに、理論的シミュレーションにより、ルテニウムナノ粒子の触媒作用を分子レベルで理解することができました。言い換えれば、その表面での水が分解するメカニズムを理解することができました。」と、この発見に携わった BeDimensional の Sebastiano Bellani と Marilena Zappia は説明します。 「実験データとその他のプロセスパラメータを組み合わせて技術経済分析を実行し、この技術が最先端の電解槽と比較して競争力があることを示しました。」
プラチナ抽出の副産物として生産される貴金属であるルテニウムは、少量 (プラチナの年間 200 トンに対して年間 30 トン) で生産されますが、コストは低くなります (プラチナの 30 ドルに対して 1 グラム当たり 18.50 ドル)。この新技術は、プロトン交換膜電解槽が白金（1キロワットあたり最大1グラム）とイリジウム（1キロワットあたり1～2.5グラム、イリジウムの価格は1グラムあたり約150ドル）を大量に使用するのとは対照的に、1キロワットあたりわずか40ミリグラムのルテニウムを使用する。
インド工科大学と BeDimensional の研究者らは、ルテニウムを使用することでアルカリ電解槽の効率を向上させました。アルカリ電解槽はその堅牢性から数十年にわたって使用されてきた技術です。たとえば、この技術は 1969 年に人類を月に送ったアポロ 11 号の宇宙カプセルで使用されました。新しく開発されたアルカリ電解槽用のルテニウムベースの陰極シリーズは効率が高く、動作寿命が長いため、グリーン水素製造のコストが削減されます。
「将来的には、この技術と、持続可能な2D材料に基づくナノ構造触媒などの他の技術を、太陽光発電パネルで生成された電力などの再生可能エネルギー源を動力源とするアップグレードされた電解槽に適用する予定です」と研究者らは結論づけた。
コンパイルされたソース: ScitechDaily